Цифровой журнал «Компьютерра» 2011 № 36 (84) - [7]

Аналоговые схемы требуют дополнительной конструкторской доработки, чтобы обеспечивать нужное соотношение «сигнал-шум». По мере того как происходит движение к наиболее передовым технологиям миниатюризации схем, напряжение питания в этих схемах стабильно понижается.

Это снижение напряжения попутно понижает мощность сигнала – без перемен в шуме устройства. Иначе говоря, понижается и уровень отношения сигнала к шуму, а значит, каждая модернизация неизбежно влечёт за собой тщательную переоценку параметров и комплекс тестирований для RNG. Ясно, что это чрезвычайно неудобно и обременительно.

Принимая во внимание все эти проблемы, в 2008 году конструкторы Intel всерьёз озаботились задачей по созданию такого генератора случайных чисел, который использовал бы в своей работе исключительно цифровые элементы схемы. Поначалу задачей полного избавления генератора случайных битов от аналоговых схем занимались исследователи Circuit Research Lab в Хиллсбро, а затем к ним подключились индийские коллеги из исследовательского центра Bangalore Design Lab.

Остроумное решение, которое в итоге было найдено, с полным правом можно называть парадоксальным. С формальной точки зрения, данная конструкция нарушает важнейшее правило в конструировании цифровых схем, согласно которому схема должна находиться в хорошо определённом состоянии, давая на выходе только логические 0 и 1.

Элемент цифровой схемы может, конечно, пребывать краткие периоды времени в промежуточном состоянии переключения между двумя этими базовыми возможностями. Однако он никогда не должен оставаться балансирующим и неопределённым в том, каким путём следует двигаться дальше. Такого рода неопределённостей всегда стараются избегать, поскольку они вносят задержки в работу схемы и даже способны порождать сбои в работе системы.

Однако в конструкции нового генератора случайных чисел такое тяготение к балансированию стало не дефектом, а особенностью схемы. Можно сказать, что данная схема делает своей главной фишкой так называемый феномен «метастабильности» – обычно крайне нежелательный эффект при конструировании логических схем, использующих более одной тактовой частоты. Цифровой же генератор, созданный командой Intel, устроен таким образом, что здесь результатом метастабильности является в буквальном смысле каждый бит на выходе схемы.

Обычно выход с цифрового устройства принято брать в тот момент, когда он устоялся на определённом значении, будь это ноль или единица. А метастабильность – это то, что происходит, когда показание напряжения берётся во время перехода, так что бит пойман где-то в промежутке между нулём и единицей. В конечном счёте такой бит непременно перейдёт в одно из этих двух базовых состояний, однако нет способа предсказать, в каком именно он окажется.

Исследователи Intel умышленно стали снимать сигнал во время именно таких переходов, а кроме того, они усиливают эту случайность ещё больше, с помощью петли обратной связи настраивая метастабильность таким образом, чтобы бит падал в состояние 1 или 0 с примерно равной вероятностью. Превращая, по сути дела, данный процесс в электронный эквивалент подбрасывания монеты.

Конструктивно весь этот трюк реализован на основе пары инверторов (элементов схемы, у которых выходной сигнал противоположен сигналу на входе), циклически подсоединённых друг к другу, и двух довольно странно подключённых к инверторам транзисторов. Из-за этой «нелогичной» схемы подключения данная система в каждом такте работы на кратчайшее время подвисает между двумя своими базовыми состояниями — 0 и 1.

В идеальном мире такое неопределённое состояние системы теоретически могло бы длиться вечность. Однако в мире реальном даже самый минимальный всплеск теплового шума – какая-нибудь случайная атомная вибрация – внутри схемы обязательно подтолкнёт это симметричное, но крайне нестабильное состояние в одно или другое из стабильных состояний системы.

Иными словами, и здесь исход состояния для этой неопределённой ситуации в цифровой схеме определяется физически случайными свойствами теплового шума. По сути всё, что для этого потребовалось, – это подсоединить два дополнительных транзистора к часам, которые регулярно включают и выключают пару инверторов. Всякий раз, когда тактовые часы тикают, эта схема порождает один случайный бит. А коль скоро в современном микропроцессоре часы тикают с частотой порядка 3 гигагерц, генератор способен выдавать 3 миллиарда случайных битов в секунду.

Теоретически отсюда можно сделать вывод, что процессор имеет возможность просто снимать выходные биты от этой зашиты в него на аппаратном уровне схемы RNG, сразу подавать их в криптографическое приложение и считать свою задачу выполненной. В реальности, однако, эти биты случайны не до такой высокой степени, какую хотелось бы иметь в надёжной криптографии. Грубый поток битов, выходящих из базовой схемы – независимо от того, насколько она хороша, – всё равно может иметь нежелательные статистические сдвиги и корреляции.

А цель конструкторов Intel ставилась так, чтобы построить систему, которая генерирует не просто чисто случайные, а «высококачественные случайные числа», совместимые с общепринятыми криптографическими стандартами. В первую очередь, с критериями NIST SP800-90 Национального института стандартов и технологий США, соответствие которым гарантирует выдачу соответствующего сертификата, а значит, и повсеместное признание схемы в качестве надёжной криптотехнологии.